Genetik im Garten: Mendels Erkenntnisse
Es mendelt!
von: Uwe Bienert
Gartenbau ist nicht nur manuelle, technische und handwerkliche Arbeit, sondern basiert in seinem Ursprung auf naturwissenschaftlichen Erkenntnissen der Biologie, der Chemie, der Physik, sogar der Mathematik und der Astronomie. Daher ist es nicht verwunderlich, dass auch der Gartenbau durch naturwissenschaftliche Gesetze reguliert wird. Eine der wichtigsten dieser Gesetzmäßigkeiten hat ein Mann entdeckt, der aus der Biologie kaum wegzudenken ist: Gregor Mendel.
Am Anfang war die Erbse
1856 begann der Ordenspriester Mendel systematische Kreuzungsexperimente mit zuvor sorgfältig ausgewählten Sorten der Erbse. Er legte den Fokus seiner Auswahl auf verschiedene Merkmale der Erbsenpflanzen und deren Samen, die klar zu unterscheiden waren. Dazu gehörten zum Beispiel violett oder weiß blühende Sorten, solche mit gelben oder grünen Samen und so weiter.
Er kreuzte sie, indem er die Pollen der einen Sorte auf die Narben der anderen Sorte übertrug. Unerwünschte Selbst- und Fremdbestäubungen wurden durch Entfernen der Staubblätter und Verhüllung der Blüten ausgeschlossen. Dazu führte er erstmals große Versuchsreihen durch. Aus 355 künstlichen Befruchtungen zog er 12 980 Hybriden und konnte so gesicherte Erkenntnisse über die regelhafte Aufspaltung der Merkmale gewinnen. Innerhalb von sieben Jahren kultivierte er auf diese Weise schätzungsweise 28.000 Erbsenpflanzen.
Aus diesen Experimenten gingen drei "Gesetze" hervor, die bis heute als Mendelsche Regeln gelten:
- Die Uniformitätsregel
- Die Spaltungsregel
- Die Unabhängigkeitsregel
Um in das Thema "Genetik", was unter uns gesagt nicht das Einfachste zu sein scheint, einsteigen zu können, werden wir erstmal einige Begrifflichkeiten klären müssen.
Da wäre zum einen der Begriff "Genetik" an sich:
Die Genetik, oder auch Vererbungslehre, ist ein Teilbereich der Biologie. Sie beschäftigt sich mit der Vererbung, also den Mechanismen hinter der Weitergabe bestimmter Merkmale von einer Elterngeneration auf ihre Nachkommen. Der Begriff Genetik kommt aus dem Altgriechischen (γενεά geneá und γένεσις génesis) und bedeutet Abstammung oder Ursprung.
Die Grundbegriffe der Mendelschen Regeln
Im Zusammenhang mit der Vererbungslehre stehen die nachfolgenden Begriffe im Mittelpunkt, ohne die es schwer fällt das Gesamtthema zu begreifen:
- diploid
Das bedeutet, dass ein doppelter Chromosomensatz pro Körperzelle vorliegt. So ist das bei "höheren" Lebewesen, wie Menschen, vielen Tieren und Pflanzen der Fall. Die Mendelschen Regeln gelten nur für diploide Lebewesen. - haploid
Diese Zellen besitzen jeweils nur einen einfachen, also haploiden, Chromosomensatz. Beim Menschen kommt das nur bei Spermien und Eizellen vor. - Genotyp
In der klassischen Genetik ist der Genotyp die genetische Ausstattung eines Individuums, also die Kombination bestimmter Erbanlagen. - Phänotyp
Die äußerliche Erscheinungsform eines Merkmals bei einem Lebewesen ist der Phänotyp. - Gen
Die Erbanlagen, die für die Merkmalsausprägung zuständig sind, bezeichnet man als Gene - Allel
Bei verschiedenen Genvarianten spricht man von Allelen. Das können zum Beispiel verschiedene Augen- oder Haarfarben sein. - homozygot
Stimmen beide Erbanlagen (Allele) für ein Merkmal überein, bezeichnet man den Genotyp als homozygot (reinerbig). - heterozygot
Sind die beiden Erbanlagen hingegen verschieden, handelt es sich um einen heterozygoten (mischerbigen) Genotyp. - dominant
Setzt sich bei heterozygoten Genotypen eine Erbanlage im Phänotyp durch, dann nennt man das ein dominantes Allel. Als Symbol werden für dominante Merkmale Großbuchstaben verwendet (zum Beispiel: Farbe Blau = B). In Grafiken werden dominante Genotypen immer mit Großbuchstaben dargestellt! - rezessiv
Die "unterdrückte" Erbanlage ist das rezessive Allel. In Grafiken werden rezessive Genotypen immer mit Kleinbuchstaben dargestellt! - dominant rezessiver Erbgang
Liegen in einem Erbgang beide Allel-Arten vor, spricht man von einem dominant rezessiven Erbgang. Als Symbol werden für rezessive Merkmale Kleinbuchstaben verwendet (zum Beispiel: Farbe Rot = r).
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Die erste Mendelsche Regel: Die Uniformitätsregel
Die erste Mendelsche Regel oder Uniformitätsregel lautet:
Kreuzt man zwei reinerbige (homozygote) Eltern, die sich in einem Merkmal unterscheiden, sind alle Nachkommen genotypisch und phänotypisch gleich (uniform).
Kreuzt man zwei reinerbige (homozygote) Eltern, die sich in einem Merkmal unterscheiden, sind alle Nachkommen genotypisch und phänotypisch gleich (uniform).
Die Ausgangsgeneration wird hierbei als Elterngeneration oder Parentalgeneration (lat. parentes für "Eltern") bezeichnet. Die erste Tochtergeneration nennt man Filialgeneration oder F1-Generation (lat. filia für "Tochter").
Kreuzt man homozygote grüne Erbsensamen mit homozygoten gelben Erbsen und wird dabei nur ein Merkmal betrachtet, in diesem Fall die Farbe, spricht man von einer monohybriden Kreuzung.
Die Genotypen und Phänotypen der Eltern (Parentalgeneration) und der ersten Nachkommen (Filialgeneration) können Tabelle 1 entnommen werden.
Das dominante Allel für die gelbe Samenfarbe setzt sich gegen das rezessive Allel für die grüne Samenfarbe durch. Daher besitzen alle Nachkommen denselben Genotyp und im Phänotyp eine gelbe Samenfarbe. Die F1-Generation ist also uniform.
Zweite Mendelsche Regel: Die Spaltungsregel
Die zweite Mendelsche Regel oder Spaltungsregel lautet:
Kreuzt man zwei reinerbige (homozygote) Eltern, die sich in einem Merkmal unterscheiden, sind alle Nachkommen genotypisch und phänotypisch gleich (uniform).
Bei einer Kreuzung von identischen mischerbigen Individuen der F1-Generation spaltet sich die Merkmalsverteilung der Nachkommen in der F2-Generation nach festen Zahlenverhältnissen auf. Der dominant-rezessive Erbgang folgt dem Verhältnis 3:1.
Wenn man also heterozygote Individuen der F1-Generation untereinander kreuzt, spalten sich die Nachkommen (F2-Generation) sowohl im Genotyp als auch im Phänotyp auf. Die Nachkommen der zweiten Generation sind also nicht mehr uniform. Die unterschiedlichen Merkmalsformen teilen sich dabei immer in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf.
Kreuzt man also die Nachkommen der F1- Generation der heterozygoten Erbsenpflanze (Gg) untereinander, haben alle zunächst gelbe Samen. Erst die F2-Generation besteht dann aus Erbsen mit gelben Samen und Erbsen mit grünen Samen.
Die Genotypen und Phänotypen der Eltern der ersten und der zweiten Nachkommen können Tabelle 2 entnommen werden.
Bei einem dominant rezessiven Erbgang lautet das Zahlenverhältnis der F2-Generation im Phänotyp 3 : 1 und im Genotyp 1 : 2 : 1.
Dritte Mendelsche Regel: Die Unabhängigkeitsregel
Die dritte Mendelsche Regel oder Unabhängigkeitsregel lautet:
Werden zwei reinerbige Individuen, die sich in zwei Merkmalen unterscheiden (dihybrider Erbgang), miteinander gekreuzt, werden die Erbanlagen der Merkmale frei und unabhängig voneinander an die Nachkommen vererbt.
Werden zwei reinerbige Individuen, die sich in zwei Merkmalen unterscheiden (dihybrider Erbgang), miteinander gekreuzt, werden die Erbanlagen der Merkmale frei und unabhängig voneinander an die Nachkommen vererbt.
Die Unabhängigkeitsregel gilt nur für Gene, die auf verschiedenen Chromosomen liegen. So kann nämlich eine Trennung während der Meiose erfolgen.
Als Meiose wird eine besondere Art der Kern- und Zellteilung bezeichnet, bei der aus Zellen mit einem diploiden Chromosomensatz Tochterzellen mit einem haploiden Chromosomensatz entstehen. Die entstehenden Zellen sind dann Keimzellen beziehungsweise Geschlechtszellen. Bei ihnen handelt es sich um die weiblichen Eizellen und die männlichen Spermien. Die Meiose findet vor der Befruchtung, also der Verschmelzung einer Eizelle mit einem Spermium, statt. Der Chromosomensatz muss sich bei der Meiose halbieren. Das ist wichtig, damit bei der Befruchtung dann wieder ein vollständiger, verdoppelter Chromosomensatz entsteht. Eine befruchtete Eizelle mit verdoppeltem Chromosomensatz wäre nicht überlebensfähig.
Zurück zur dritten Regel von Mendel und den Erbsen
Man nimmt also Erbsenpflanzen, die sich in zwei Merkmalen unterscheiden, nämlich ihrer Form und Farbe, die folgende Eigenschaften aufweisen:
- Eine reinerbige Erbsensorte bringt nur gelbe, ovale Samen hervor. Weil beide Merkmale dominant sind, lautet ihr Genotyp GGOO. Durch die Betrachtung von zwei Merkmalen statt nur von einem, hat der Genotyp vier statt zwei Stellen.
- Eine andere reinerbige Sorte erzeugt nur grüne, runde Samen. Beide Allele sind rezessiv. Ihr Genotyp lautet deshalb ggrr.
Die entsprechenden haploiden Keimzellen der Eltern erhalten also jeweils folgende Gene (GO) oder (gr).
Bei dieser Kreuzung treten in der F1-Generation nur gelbe (G) und ovale (O) Erbsensamen auf. Der dazugehörige Genotyp lautet: GgOr.
Die Nachkommen in der F1-Generation sind also uniform. Die dominanten Allele "gelb" und "oval" haben sich im Phänotyp durchgesetzt.
Da die Gene für Farbe und Form auf unterschiedlichen Chromosomen liegen, können sich folglich diese Keimzellen bilden: GO, Gr, gO und gr, da beide Merkmale unabhängig voneinander vererbt werden.
Die Genotypen und Phänotypen der Eltern der ersten und der zweiten Nachkommen können Tabelle 3 entnommen werden.
Wir erhalten neun verschiedene Genotypen und vier verschiedene Phänotypen.
In der F2-Generation sind also zusätzlich zwei völlig neue Phänotypen entstanden: "grün und oval" und "gelb und rund". Die elterlichen Merkmalsformen treten bei den Nachkommen in neuen Kombinationen auf. Man bezeichnet diesen Fakt als rekombinante Phänotypen.
Jetzt wird es anspruchsvoll
In der Genetik werden zwei Erbgänge unterschieden. Zum einen gibt es den dominant-rezessiven Erbgang. Bei diesem Erbgang setzt sich das dominante Allel durch und ist im Phänotyp sichtbar.
Der zweite Erbgang ist der intermediäre Erbgang, bei ihm ist die Dominanz bestimmter Allele nicht eindeutig. Hier setzt sich keines der beiden Elternallele durch. Die Nachkommen in der F1-Generation besitzen deshalb im Phänotyp eine Mischform aus beiden Merkmalen der Eltern. Auch bei der Vererbung im intermediären Erbgang gelten die Mendelschen Regeln. Die Genotypen und Phänotypen der Eltern (Parentalgeneration) und der Nachkommen können Tabelle 4 entnommen werden.
Eine reinerbige rotblühende Pflanze wird mit einer reinerbigen blaublühenden Pflanze gekreuzt. Dabei entstehen Pflanzen mit violetten Blüten – eine Mischform also aus rot und blau. Nach der Uniformitätsregel gleichen sich die F1-Nachkommen in Phänotyp (violett) und Genotyp (br).
Quellen:
- Farbatlas Peter Rüther: Frühblüher – Heimische Arten im Überblick. Hohenwarsleben (Westarp Wissenschaften)
- Åge Nicolaisen: Blumenzwiebeln – Frühlingsblumen. 2. Auflage. BLV, München 1966
- Einheimische Laubgehölze (Hecker, Quelle & Meyer Verlag Wiebelsheim)
- Grundkurs Gehölzbestimmung (Lüder, Quelle & Meyer Verlag Wiebelsheim)
- Taschenlexikon der Gehölze (Schmidt/Hecker, Quelle & Meyer Verlag Wiebelsheim)
- International standard ENA 2010-2015 (M.H.A. Hoffmann
- ENA’s European Plant Names Working Group), Wikipedia
